Reverse Monte Carlo Modeling of Ge-As-Te chalcogenide glass system

Abstract

Kalkojen camlar optik, yapısal ve elektriksel özelliklerinden dolayı geniş teknolojik uygulamaları ile bilinmektedir. Düşük fonon enerjisi, optik kayıpları, iyi termal ve kimyasal stabilite ve kızılötesi şeffaflık özellikleri nedeniyle bu camların geniş kapsamlı uygulamaları kızılötesi fiber optikler, optik elemanlar, anahtarlama ve bellek aygıtları olarak belirtilebilir. Bu tezde toplam metal içeriği (Ge + As) 30, 40, 50 ve 70 olan GexAs2xTe100-3x camların üç boyutlu yapıları, literatürden alınan yüksek enerjili x-ışını kırınım verilerine dayanan ters Monte Carlo modellemesi kullanılarak oluşturulmuştur. Kısa ve orta ölçekli yapısal özellikler bu modellere dayanarak açıklanmaktadır. Koordinasyon sayıları, kısmi yapı faktörleri, kısmi çift dağılım fonksiyonları, bağ açısı dağılımlarını ve halka boyutu dağılımlarını içeren yapısal parametreler elde edilmiş ve bu camların atomik yapılarını ortaya çıkarmak için değerlendirilmiştir. Kimyasal bileşimden bağımsız olarak Ge, As ve Te atomları sırasıyla 4, 3 ve 2 koordineli olarak bulunmuştur. Orta ölçekli düzenin var olduğunu gösteren yapısal faktörde, sistemde artan metal (Ge + As) içeriği ilk keskin kırılma pikinin (FSDP) oluşmasıyla sonuçlanmıştır. Artan metal içeriği orta ölçekteki düzenin gelişimiyle ilişkili olabilecek çok daha geniş halka dağılımı gösterirken, düşük metal içerikli (3x = 30 ve 40) kalkojen camlar için halka boyutu dağılımları çok dar bir dağılım göstermiştir.

Chalcogenide glasses are well known for their wide technological applications due to their optical, structural and electrical properties. Their wide-ranging applications can be stated as infrared optical fibers, optical elements, switching and memory devices because of their low phonon energy and optical losses, good thermal and chemical stability and infrared transparency. In this thesis, three dimensional structures of GexAs2xTe100-3x glasses with total metal contents (Ge+As) of 30, 40, 50, and 70 at.% were generated by employing reverse Monte Carlo modeling based on high energy x-ray diffraction data from the literature. Short- and intermediate-range structural characteristics are elucidated based on these models. Structural parameters involving coordination numbers, partial structure factors, partial pair distribution functions, bond angle distributions and ring size distributions are obtained and evaluated to reveal the atomic structures of these materials. It was found that Ge, As, and Te atoms were 4, 3, and 2, coordinated respectively, independent of chemical composition. Increasing metal (Ge+As) content in the system resulted in the appearance of first sharp diffraction peak (FSDP) in the structure factors that indicate the presence of intermediate-range order in the system. Ring size distributions for glasses with low metal contents (3x=30 and 40) revealed a very narrow distribution whereas increasing metal content resulted in much wider ring size distributions that might be correlated with the development of intermediate range order.